Gyakorlati mérési módszerek a "Kvarckristályok optimalizálása IC-khez" című bejegyzéshez - B szakasz
Az enciklopédia cikkhez : A kristályok optimális illesztése az IC-khez
Miről van szó
A CL terhelési kapacitás határozza meg a kvarckristály működési pontját és így az áramkörben a tényleges frekvenciáját, más néven az üzemi frekvenciát. Minden kristály egy adott CL-re van trimmelve (jellemzően 6 pF, 8 pF, 12 pF, 16 pF, 18 pF vagy 20 pF MHz-es kvarckristályok esetén / 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF és 12,5 pF 32,768 kHz-es órajelű kristályok esetén). Ha a kristály CL specifikációja és az áramkör effektív terhelési kapacitása nem egyezik, szisztematikus frekvenciaeltolódás következik be - gyakran néhány ppm-től néhány tíz ppm-ig terjedő tartományban.
Ez a gyakorlati bejegyzés bemutatja, hogyan ellenőrizhető és validálható az effektív terhelési kapacitás egy valós áramkörben.</p
<h2>Fizikai háttér
Az effektív terhelési kapacitás, amelyet a kristály "lát" az áramkörben, a két külső kapacitás C1 és C2 soros kapcsolásából és a parazita kapacitásokból (szórt) adódik.
CL_eff = (C1 - C2) / (C1 + C2) + Cstray
A Cstray az IC pin kapacitásokból, a sínkapacitásokból és a pad kapacitásokból áll. A tipikus irányadó értékek egy valós elrendezésben 2 pF - kompakt, elrendezésre optimalizált tervekben néha csak 1 pF, kedvezőtlen elrendezésekben vagy IC pin kapacitások esetén akár 7 pF-ig is ennek megfelelően magasabb.
Miért nem elég a puszta számítás
Az adatlapon szereplő számítás jó kiindulási értéket ad, de nem jelent garanciát. Eltérések adódnak:
- Az IC pin-kapacitásának sorozatos szórása (tip. ±30 %)
- Az elrendezés változatai (nyomvonalhossz, rétegek száma, via-k száma, földsíkok közelsége)
- Az áramköri kondenzátorok gyártási tűrései (C0G/NP0 tip. ±5%, standard ±10%, ±1% a precíz alkalmazásoknál, mint például a rádiós alkalmazásokban szükségesek)
- A pin-kapacitás hőmérséklet- és feszültségfüggése
A valós áramkörben történő ellenőrzés ezért kötelező, ha a frekvencia pontossága releváns (vezeték nélküli, USB, Ethernet, időzítő).
Mérési módszer A: Frekvenciás módszer (sorozatban ajánlott)</h2
<h3>Mérési elv
A futó áramkör tényleges frekvenciáját mérik és összehasonlítják a megadott névleges frekvenciával. A frekvenciaeltérésből visszaszámítható a tényleges terhelhetőség.</p
<h3>Szükséges berendezés
Frekvenciaszámláló ≥ 0,1 ppm felbontással és GPS vagy OCXO referenciával (pl. Keysight 53230A, Pendulum CNT-90)
Szonda aktív, alacsony kapacitású (< 1 pF, pl. FET-szonda), pl. FET-szonda. pl. FET-szonda), hogy a mérést ne hamisítsa meg
Hőmérsékletkamra referenciaméréshez +25 °C ±1 °C-on ajánlott
Végrehajtás
Az áramkört +25 °C-on és névleges feszültségen helyezze üzembe. Hagyja legalább 60 s-ig bemelegedni.
Hagyja, hogy az XOUT (oszcillátor kimenet) egy kis kapacitású szondával megcsapolódjon. Ne érintse meg az XIN-t - a szonda itt zavarja meg leginkább a működési pontot.
Hozza létre a frekvencia átlagát ≥ 10 s kapuidőn keresztül, és jegyezze fel: fmess.
Kalkulálja ki az eltérést: Δf/f = (fmess - fnenn) / fnenn - 10⁶ [ppm]
Kalkulálja vissza a tényleges CL-t Δf/f-ból (lásd az alábbi képletet).
.
Újszámítsa vissza a CL-t Δf/f-ből
Megközelítő képlet (a CL_spec körüli szokásos tartományban érvényes):
Δf / f ≈ - C1_motional / (2 - (C0 + CL_eff)²) - (CL_eff - CL_spec)
Típusos kvarcparaméterek esetén (C1_motional ≈ 3 fF, C0 ≈ 1 pF) a következő gyakorlati ökölszabály érvényesül:
ΔCL [pF] ≈ Δf/f [ppm] - (CL_spec + C0)² / (C1_motional - 10⁶ / 2)
Egyszerűbb és pontosabb: Olvassa le a húzási érzékenységet a kvarc adatlapjáról (jellemzően -15 és -25 ppm/pF között), és ezt használja az átváltáshoz.
ΔCL = Δf/f / S (S = húzási érzékenység ppm/pF-ben)
B mérési módszer: Variációs módszer (a Cstray meghatározásához)
Ez a módszer a legpontosabb változat, ha az áramkör parazita kapacitását kell meghatározni:
Állítsa C1 és C2 szimmetrikus vizsgálati értékre (pl. egyenként 12 pF, C0G ±2 %).
Mérje meg az f1 frekvenciát.
Változtassa C1 és C2 egy második értékre (pl. egyenként 22 pF). pl. egyenként 22 pF), mérje meg az f2 frekvenciát.
Cpar és az effektív terhelési kapacitás analitikusan felbontható a két mérési pontból.
.
Jól alkalmazható a kezdeti minta hibakeresésére, mivel az elrendezést is jellemzi, és a meghatározott Cpar értékek hasonló elrendezéseknél újra felhasználhatók.
Típusos értékek és elfogadási határértékek
| Kritérium | Zöld terület | Értékelés / mérés | ||
|---|---|---|---|---|
| |Δf/f| +25 °C-on | < 5 ppm | Sorrendben | ||
| |Δf/f| +25 °C-on | 5 - 15 ppm | C1/C2 beállítása | ||
| |Δf/f| +25 °C-on | > 15 ppm | ellenőrzi a CL-változatot, meghatározza a Cpar-t | ||
| Különbség XIN / XOUT | < 2 ppm | Szimmetrikus elrendezés | ||
| Cpar (variációs módszerből) | 1 - 3 pF | Típusos normál tartomány | ||
| Cpar | > 5 pF | Az elrendezés ellenőrzése (rövid vezetékek, nincs GND terület a kvarc alatt) |
Kiszámítási példa
Kvarc: 26 000 MHz, CL_spec = 8 pF, húzási érzékenység S = -18 ppm/pF.
Mérés az áramkörben: fmess = 26.000 234 MHz → Δf/f = +9 ppm.
ΔCL = +9 ppm / (-18 ppm/pF) = -0,5 pF
Interpretáció: Az effektív terhelési kapacitás 0,5 pF-rel a célérték alatt van. Megoldás: Növelje meg kissé a C1 és C2 kapacitást. C1 = C2 esetén +1 pF kondenzátoronként ≈ +0,5 pF-ot okoz CL_eff-nél - azaz növelje +1 pF-fel mindkettőt.
Praktikai megjegyzés A nagy hosszú távú pontosságot igénylő alkalmazásoknál (pl. ISM sávú vezeték) célszerű a II. sz. pl. ISM-sávú vezeték nélküli, LoRaWAN, pontos időbázis), C1 és C2 esetében 1%-os tűrésű C0G/NP0 kondenzátorokat ajánlunk. Ez a CL_eff-re gyakorolt domináns külső hatásokat < 0,1 pF szórásra korlátozza. Ne mérje a tényleges frekvenciát közvetlenül az XIN csapon. A szonda kapacitív belépése azonnal több ppm-rel meghamisítja az eredményt. Jobb mérési pont az XOUT vagy egy következő IC-csap. A legjobb, ha az IC adatlapján ellenőrzi, hogy a frekvencia kimenete történhet-e külön csapon keresztül. Ebben az esetben a kristály működési frekvenciája a vizsgálóberendezés/szondák befolyásolása nélkül mérhető. |
Bővebb információ
Az itt használt képletet, valamint a CL, C1, C2 és a parazita kapacitások közötti összefüggéseket részletesen a "Kvarckristályok optimális illesztése IC-khez" című gyakorlati útmutató (B és C szakasz) ismerteti. Ez a bejegyzés konkrét mérési gyakorlattal egészíti ki az útmutatót.</p
<p>Kérdései vannak a megvalósítással kapcsolatban
Frekvencia-szakértőink támogatják Önt a megfelelő kristály kiválasztásában, az áramkörében végzett mérésekben és a tervezéshez nyújtott támogatásban egészen a sorozatfelszabadításig.
- Kérjen műszaki tanácsot
- Beszélje meg velünk az alkalmazását
- Mintakristály meghatározása és megrendelése
- Kérjen alternatívát kereszthivatkozáson keresztül
.
info@petermann-technik.de
Az Ön sikere a mi célunk.
